中国设施蔬菜栽培面积已超400万hm^2[1]，成为仅次于粮食的第二大农作物产业^[2]。然而，集约化种植中连作、浅耕、化学肥料过量施用等均会导致土壤养分失衡，微生物多样性降低，造成农作物产量下降^[3]。加之设施封闭与半封闭环境加剧了土壤质量衰退，严重制约了蔬菜产业的可持续发展^[4]。采用优化施肥和适宜的耕作方式是构建良好土壤环境、促进作物生长的重要举措。

有机肥在为农田土壤提供养分的同时，还可改善土壤团粒结构、营造健康的土壤生态环境^[5]。目前，有机肥投入仍以传统粪肥为主，产业体系面临着规模化进程低、分布不均衡等问题，并不能满足实际生产需求；并且未腐熟农家肥的投入不仅会浪费资源还会造成土壤盐分的累积等问题。因此，寻找新型有机肥替代传统粪肥显得尤为必要。柠条（Caragana microphylla）是多年生豆科灌木，作为防风固沙生态功能的植物，大面积种植于我国西北地区，需要进行平茬促进柠条生长，据统计，全区每年可开发利用面积达40万hm² 以上，残茬产量达80万t ^[6]，常规处理方式是作为饲料，但因其适口性差难以推广，而腐熟堆肥后有机质和氮素含量高，适宜蔬菜栽培，并减少柠条残茬处理不当造成的生态环境污染，提高废弃资源利用效率，改善土壤质量^[7]。

合理耕作方式可为作物生长发育创造适宜的土壤，在现代农业可持续发展中具有举足轻重的作用^[8-9]。马俊艳^[10]研究认为，深耕30cm以上可形成较深的耕作层，促使积聚于土壤表层的养分均匀分布于整个耕作层内，显著增强种植作物对恶劣环境和病虫害的抵抗能力。汤文光等^[11]研究表明，长期深翻显著增加了土壤有机碳、碱解氮、有效磷、速效钾等养分含量和土壤阳离子交换量。赵亚丽等^[12]研究表明，深耕改变了土壤容重，引起土壤水、肥、气、热等变化，增加了土壤微生物数量、土壤酶活性，可以满足作物生长发育的需要。并且深耕可打破犁底层，加厚熟化土层，降低土壤容重，增强土壤通透性，影响作物根系的生长、分布和功能，提高土壤对水分的蓄纳能力，从而影响作物光合产物的积累^[13-14]。

上述有关有机肥及耕作方式对土壤培肥的研究多集中在小麦、玉米、大豆和棉花等大田作物上^[15-16]； 且大部分有机物质的摄入仅仅通过传统粪肥和秸秆还田来实现，肥料利用率较低。柠条进行堆肥处理后氮素和有机质含量高，适合蔬菜作物栽培，但其影响特征以及与传统有机肥的差异尚不清晰。因此，本研究以设施主栽黄瓜土壤为研究对象，以柠条堆肥和鸡粪为底肥，结合不同耕作深度系统地研究其对土壤养分、酶活性、植株生物量和产量的持续影响。明确鸡粪和柠条堆肥作为底肥下合理的耕作深度，为柠条残茬资源化再利用提供新的思路，并为设施黄瓜土壤健康的持续高效生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在宁夏银川贺兰国家园区4号日光温室进行，该区域海拔1110.14m，地处宁夏回族自治区北部，地理坐标在105°53′E～106°36′E， 38°26′N～38°48′N。供试土壤类型为粉壤土 （23.5%的沙子、52.8%的淤泥和3.7%的粘土）。

1.2 试验设计

试验时间为2018年2月到2019年7月，连续进行3茬田间定位试验，供试黄瓜品种为“博美626”（天津德瑞特种业有限公司）。田间试验共设8个处理：（1） 传统鸡粪 + 免耕（CHM-0）， （2）柠条堆肥 + 免耕（CM-0），（3）传统鸡粪 + 翻耕15cm（CHM-15），（4） 柠条堆肥 + 翻耕15cm （CM-15），（5）传统鸡粪 + 翻耕35cm（CHM-35）， （6）柠条堆肥 + 翻耕35cm（CM-35），（7）传统鸡粪 + 翻耕45cm（CHM-45），（8）柠条堆肥 + 翻耕45cm（CM-45）。

柠条堆肥以柠条、玉米秸秆、羊粪为原料，按照碳氮比25∶1、原料质量比1∶2∶7堆肥50d后获得，容重为0.25g·cm^-3，总孔隙度为79.2%。鸡粪和柠条堆肥为等氮施用，以底肥方式施入，鸡粪施用量为22.5t·hm^-2，柠条堆肥施用量为23.2t·hm^-2。试验采用高畦栽培，双行种植，株距33cm，行距70cm。每个处理3次重复，小区随机排列，每个小区面积9m²。同时各处理施用磷酸二铵450kg·hm^-2，复混肥（N∶P₂O₅∶K₂O=20∶20∶20） 450kg·hm^-2，进行统一追肥和灌水，为防止处理间水分横向运移，小区之间用泡沫板进行隔离，泡沫板深度为80cm。

1.3 土壤的采集和测定

分别在3茬盛果期（2018年4月28日、2018年10月13日、2019年5月18日）采用5点取样法，在每个处理每个重复的栽培畦中部（避开温室最北部和最南部）取0～20cm土层样品，风干、磨碎，过1和0.25mm筛后用于土壤养分和酶活性的测定。

土壤pH采用电位计法测定^[17]，电导率采用电导法测定；有机质含量采用重铬酸钾—硫酸氧化法测定；全氮含量采用消化—半微量凯氏定氮法测定；速效氮含量采用半微量凯氏定氮法测定；全磷含量采用HClO₄-H₂SO₄ 消化—钼锑抗比色法测定； 有效磷含量采用0.5mol·L^-1 NaHCO₃ 浸提—钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用1mol·L^-1 NH₄OAc浸提—火焰光度法测定^[18]。碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，蔗糖酶活性采用硝基水杨酸比色法测定，脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定^[19]，过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定^[20]。

1.4 植株生物量和产量

在3茬拉秧期，从每个处理各小区随机选择10株代表性植株，分成植株地上部和地下部；根系用清水洗净后用纸吸干水分，与地上部分别称量，测定地上部和地下部鲜重，地上部和地下部植株在烘箱75℃下烘至恒重，测定地上部和地下部干重；全生育期记录每个小区黄瓜产量。

1.5 土壤综合肥力计算

基于改进的内梅罗指数法进行土壤综合肥力评估，为了客观、综合地反映土壤肥力，本研究去除了变化太快（如生物学指标）和相对稳定（如土体构型）及出现信息重复的冗余土壤指标来降低对土壤评价的影响。参考相关研究，本文选取土壤pH、有机质、全氮、全磷、速效氮、有效磷、速效钾共7项土壤养分指标来计算土壤综合肥力。

为消除各指标参数间量纲的差别，参考全国第二次土壤普查分级标准^[21] （表2），对上述指标参数进行标准化处理。

分肥力系数（IFI_i）的计算公式为：

${\text{IFI}}_{\mathrm{i}}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{x}/{\mathrm{x}}_{\mathrm{a}}& \mathrm{x}⩽{\mathrm{x}}_{\mathrm{a}}\\ 1+\left(\mathrm{x}-{\mathrm{x}}_{\mathrm{a}}\right)\left({\mathrm{x}}_{\mathrm{b}}-{\mathrm{x}}_{\mathrm{a}}\right)& {\mathrm{x}}_{\mathrm{a}}⩽\mathrm{x}⩽{\mathrm{x}}_{\mathrm{b}}\\ 2+\left(\mathrm{x}-{\mathrm{x}}_{\mathrm{a}}\right)\left({\mathrm{x}}_{\mathrm{b}}-{\mathrm{x}}_{\mathrm{a}}\right)& {\mathrm{x}}_{\mathrm{b}}⩽\mathrm{x}⩽{\mathrm{x}}_{\mathrm{c}}\\ 3& \mathrm{x}⩽{\mathrm{x}}_{\mathrm{c}}\end{array}\right.$

式中：IFI_i 是土壤单一指标养分分肥力系数；x为土壤养分指标值；x_a、x_b 和x_c 为指标等级阈值。该标准化方法可使各养分的分肥力系数（IFI_i）比较接近，可比性高；并且土壤单一养分含量达到一定阈值，即x_c 以后，相应分肥力系数不再提高，表明土壤养分含量达到一定高度时，通过提高土壤养分含量已不能使作物继续增产。

通过改进的内梅罗指数公式计算养分综合肥力指数（IFI）：

$\text{IFI}=\sqrt{\frac{\mathrm{A}\mathrm{v}\mathrm{e}{\left({\mathrm{I}\mathrm{F}\mathrm{I}}_{\mathrm{i}}\right)}^2+\mathrm{M}\mathrm{i}\mathrm{n}{\left({\mathrm{I}\mathrm{F}\mathrm{I}}_{\mathrm{i}}\right)}^2}{2}}+\frac{\mathrm{n}-1}{\mathrm{n}}$

式中：IFI为土壤综合肥力指数；Ave（IFI_i）和Min （IFI_i）分别表示所有土壤养分指标分肥力系数的平均值和最小值；n表示土壤养分指标个数，n=7。

1.6 数据统计

所有数据采用Origin 2018和SPSS 24.0统计分析，平均值采用单因素ANOVA分析。采用Tukey进行 P<0.05水平的显著性分析。对不同处理的土壤养分、酶活性、植株生物量累积和产量特性进行主成分分析（PCA），结合Pearson相关分析进行土壤综合肥力评价。

2 结果与分析

2.1 施肥与翻耕对土壤养分含量的影响

柠条堆肥施用较传统鸡粪显著提高了1.42%的土壤pH，且在秋冬茬效果更为显著；整体上土壤pH随耕作深度的加深呈增加趋势，翻耕45cm处理最高，较翻耕35cm、翻耕15cm和免耕处理分别提高了0.69%、1.94%和1.88%（图1a）。连作茬次增加仍会降低土壤pH，并且造成土壤EC值的提高。柠条堆肥施用较传统鸡粪土壤EC值显著降低了2.61%，翻耕深度增加也有利于土壤EC值降低，翻耕15、35和45cm处理均显著低于免耕，且较免耕分别降低了20.59%、21.28%和24.40%（ 图1b）。传统鸡粪施用下土壤获得了较高有机质和速效钾的累积，但达到第3茬时结果却与之相反。翻耕15cm处理下土壤有机质和速效钾含量最高，且有机质含量显著高于其他处理，较免耕、翻耕35cm和翻耕45cm处理分别提高了7.16%、22.33%和34.27%（图1c、d）。

整体上，两种有机肥料处理间土壤全氮、速效氮和全磷含量无显著差异，而传统鸡粪处理土壤有效磷含量显著高于柠条堆肥处理。翻耕15cm处理与免耕间土壤全氮、全磷和有效磷含量无显著差异，而翻耕深度增加却显著降低了土壤全氮、速效氮、全磷和有效磷含量，较翻耕15cm处理分别降低了21.86%和35.92%、23.46%和43.57%、27.47%和40.52%、26.60%和31.42%。并且随着栽培茬次增加土壤氮素含量降低，而土壤磷素得到累积（图2）。

2.2 施肥与翻耕对土壤酶活性的影响

由图3可知，柠条堆肥施用较传统鸡粪土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性显著降低了3.51%、 3.44%和29.22%。脲酶活性随翻耕深度增加呈降低趋势，免耕较翻耕15cm、翻耕35cm和翻耕45cm处理分别显著提高了2.8%、3.8%和6.6%。适当增加耕作深度（35cm）可以显著提高土壤过氧化氢酶活性，蔗糖酶和磷酸酶活性随翻耕深度增加呈先降低后升高的趋势，但免耕处理最高。早春茬土壤脲酶、磷酸酶活性高于秋冬茬，而过氧化氢酶和蔗糖酶活性与之相反。

注：小写字母不同表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.3 施肥与翻耕对黄瓜生物量、果实产量的影响

综合3茬数据，肥料类型和翻耕深度对黄瓜产量无显著影响，但柠条堆肥施用较传统鸡粪处理地上部和地下部生物量显著降低了10.00%和14.44%，深翻处理也不利于生物量的增长。早春茬黄瓜产量、地上部和地下部生物量均显著高于秋冬茬（图4）。

2.4 PCA分析和土壤肥力

对土壤养分、酶活性、植株生物量和产量指标进行PCA分析。PC1和PC2分别解释差异的47.21%和24.76%，即总变异的71.97%。pH、EC值、全氮含量、速效氮含量、速效钾含量、地上部生物量、脲酶活性和过氧化氢酶活性在PC1有较高的权重，有机质含量、有效磷含量、地下部生物量、产量在PC2上有较高的权重。磷酸酶和脲酶活性与有机质、全磷和速效氮含量呈现显著正相关，pH与EC值、有机质含量、有效磷含量、速效钾含量呈显著负相关，全氮含量、土壤蔗糖酶含量、过氧化氢酶含量、地上和地下部生物量与果实产量和地上部生物量成显著正相关（图5a）。有机质含量与全磷和有效磷含量呈现显著正相关。在PC1上，CS2与CS1和CS3显著区分开，说明秋冬茬处理与早春茬显著区分。在PC2上，CS3与CS1和CS2显著区分开（图5b）。

采用改进的内梅罗指数计算出土壤综合肥力指数，并对土壤质量进行综合评价（表3）：施用柠条堆肥较传统鸡粪处理土壤综合肥力指数显著提高了1.84%；翻耕15cm处理土壤综合肥力指数最高，较免耕、翻耕35cm和翻耕45cm处理分别提高了1.20%、5.35%和9.92%；秋冬茬土壤综合肥力指数高于早春茬土壤。进一步分析发现，栽培季节对各指标均有显著影响，土壤pH、EC值、有机质含量、全氮含量、有效磷含量、磷酸酶活性和蔗糖酶活性均受柠条特色堆肥（CM）和翻耕深度（PD）的显著影响（P<0.05），土壤过氧化氢酶活性、脲酶活性、速效氮含量受CM的影响，但不受PD的影响，相反，速效氮含量和过氧化氢酶活性PD的影响，但不受CM的影响。CS与CM互作对地上部生物量无显著影响；CS与PD互作对pH和果实产量无显著影响；CM与PD互作对土壤pH、EC值、脲酶活性、地上部干重和果实产量无显著影响外，对其他指标均有显著影响； CS、CM、PD三因素互作对pH和果实产量无显著影响。

注：EC—电导率，OM—有机质，TN—全氮，AN—速效氮，TP—全磷，AP—有效磷，AK—速效钾，SA—土壤蔗糖酶，SU—土壤脲酶，SP—土壤磷酸酶，SC—土壤过氧化氢酶，RB—地下生物量，SB—地上部生物量，FY—果实产量，CS—种植季节。

注：C表示种植季节，CM表示柠条特色堆肥，PD表示翻耕深度。*、** 和 *** 分别表示处理间在0.05、0.01和0.001水平上差异显著，ns表示处理间无差异显著。

3 讨论

3.1 施肥和翻耕对土壤养分含量、pH和EC值的影响

土壤质量因肥料类型、耕作方式和栽培年限的不同而存在差异。堆肥中富含有机物，作为有机肥料不仅可以改善土壤质量，还能为作物生长提供稳定的营养^[22]。本研究表明，柠条堆肥连续施用后土壤养分和有机质含量得到提升，两种肥料处理间土壤全氮、速效氮、全磷和速效钾含量无显著差异，说明柠条堆肥与传统有机肥施用对土壤养分的影响差异不大。土壤养分也因耕作方式不同存在差异，本研究中，土壤全氮、全磷、速效氮和有机质含量均随翻耕深度增加呈先增加后降低的趋势，这是因为免耕处理下土壤中的养分主要集中于表层土壤中，随土层加深土壤养分含量会急剧减少^[23-24]，而翻耕深度的增加不仅可以改变土壤结构，提升有机物矿化分解速率，也促进了养分向深层土壤累积^[25]。

土壤全氮含量、速效氮含量和EC值在秋冬茬含量高于早春茬处理，早春茬设施环境温度高，有利于提高土壤养分循环速率，促进了肥料向土壤中养分含量的释放，同时也提高了植物对土壤养分的吸收效率，造成土壤中养分含量的降低，秋冬季节温度较低导致植株较低的吸收速率，造成土壤养分的累积^[26]。

pH对土壤养分循环及作物生长有重要作用。本研究表明，随栽培年限的增加土壤pH呈下降趋势，但柠条堆肥施用较传统鸡粪处理显著缓解了土壤酸化的现象，并能降低土壤耕层EC值。这可能是因为柠条堆肥中碱性物质的输入增加了土壤的缓冲能力^[27-28]，而且有机肥的分解也会消耗质子，升高土壤pH；另外，翻耕深度的增加改变了土壤养分结构，避免表层土壤养分的聚集，一方面缓解了氮肥导致土壤pH下降的现象，另一方面也降低了作物连作诱导的土壤次生盐渍化的风险。

3.2 施肥和翻耕对土壤酶活性的影响

有机肥的施入有利于改善土壤理化性质和土壤酶活性^[29-31]。本研究表明，传统鸡粪处理对土壤酶活性的提升效果优于柠条堆肥处理，经过连续种植后结果与之相反。这是因为试验初期传统粪肥增加了土壤中养分的矿化速率，能够快速促进养分循环；同时氮素矿化产生了大量质子，引起土壤pH的下降；并且微生物分泌酶速率的提高，促进了土壤酶活性提升^[7，32]。翻耕深度的增加不利于土壤脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性提升，这可能是深翻将富集养分的表层土壤翻入下层，造成了土壤微生物及土壤有机养分积累的空间异质性，从而导致土壤酶在耕层垂直分布的不同^[33]。

3.3 施肥和翻耕对土壤综合肥力和产量的影响

土壤肥力受多种因素的影响，如肥料类型、耕作方式等。本研究结果表明，两种有机肥料连续施用下土壤肥力得到明显提升，柠条堆肥处理土壤综合肥力指数显著高于传统鸡粪处理。作物的产量不仅受管理措施的影响，往往还与土壤肥力有很强的相关性^[34-35]。本研究表明，第一茬后柠条堆肥施用下黄瓜产量高于传统鸡粪处理，这与土壤肥力指数趋势基本一致，可能是因为柠条堆肥作为植物残茬堆肥不仅提高了土壤养分含量，同时有利于保持土壤养分均衡，提高了设施黄瓜产量持续稳定的增长^[36]。耕作深度的增加显著降低了土壤肥力和植株生物量，而对黄瓜产量无显著影响，原因可能是深翻处理活化了下层土壤，有利于植株对养分的吸收和植株养分向果实的转移，减弱低土壤肥力的不利影响，从而提高作物产量^[37]。同时，黄瓜产量还受栽培季节的影响，秋冬茬黄瓜产量低于早春茬，但土壤肥力变化趋势与之相反，这可能与黄瓜生长后期西北地区秋冬季节温度较低有关：一方面低温缩短了黄瓜的采收期；另一方面温度过低不利于养分的循环，降低了土壤养分的矿化速率，因此，作物生长吸收的土壤养分也相应降低，造成了养分在土壤中累积含量的增加^[38-39]。

4 结论

设施连作会造成土壤酸化，但柠条堆肥处理显著减缓了土壤酸化和土壤盐分累积，且深翻处理也可有效缓解土壤酸化和盐渍化。免耕和翻耕15cm处理土壤肥力高于其他翻耕处理，且维持较高的土壤养分、酶活性以及生物量，翻耕45cm处理土壤肥力最低。深翻处理改善了土壤养分分布。柠条堆肥的施用和翻耕结合，在连续使用后表现出提高作物的产量趋势。柠条堆肥相对鸡粪处理显著提高了土壤的肥力指数，且随着栽培茬口增加，柠条堆肥结合深翻呈现增加黄瓜产量的趋势，因此，柠条堆肥可以在黄瓜生产中替代鸡粪作为底肥施用。

参考文献